微生物白云巖形成機(jī)理、識(shí)別標(biāo)志及存在的問題

王金藝，金振奎

中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

0 引言

白云巖成因一直是地質(zhì)學(xué)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)，盡管前人提出了多種成因機(jī)理[1-9]，但許多機(jī)理沒有過硬的證據(jù)，因此其成因迄今也沒有完全弄清楚。隨著深層勘探的不斷深入，埋藏深、時(shí)代老的微生物碳酸鹽巖成為主要的目的層[10]，因此，解決白云巖成因問題十分有必要。

曾經(jīng)困惑沉積學(xué)家們的一個(gè)重要問題是：現(xiàn)代沉積環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了不少白云巖，但常溫下在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)卻無法人工合成，因此很多人認(rèn)為不存在原生白云巖。而近些年的研究發(fā)現(xiàn)，白云石借助微生物的作用在常溫下是可以沉淀出來的，白云石的形成可出現(xiàn)在適合微生物生長，有足夠Ca2+、Mg2+和CO2-3離子的地質(zhì)條件下[11]，而且得到了模擬實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。這種機(jī)理的發(fā)現(xiàn)表明，自然界中可以存在原生白云巖，因此具有重要科學(xué)意義。

以往研究發(fā)現(xiàn)，能夠沉淀白云石的微生物有多種，而且有的是在缺氧條件下形成，有的是在富氧條件下形成[12-37]。有些學(xué)者曾對(duì)其中一些微生物白云巖形成機(jī)理進(jìn)行過簡要介紹[38-43]。但如何識(shí)別古代的微生物白云巖？如何識(shí)別不同成因的微生物白云巖？關(guān)于微生物白云巖的形成機(jī)理，還有哪些疑問和需要解決的問題？前人的研究尚未回答這些問題。本文將以已在自然界中發(fā)現(xiàn)且資料較豐富的四類微生物白云巖為例對(duì)這些問題進(jìn)行探討。此外，本文對(duì)每種機(jī)理和實(shí)例進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，以便讀者能快速獲得一些關(guān)鍵信息。

1 微生物白云巖形成機(jī)理

本文介紹的4類微生物白云巖形成機(jī)理包括：硫酸鹽還原菌白云巖形成機(jī)理、甲烷生成菌白云巖形成機(jī)理、甲烷氧化菌白云巖形成機(jī)理、喜氧喜鹽菌白云巖形成機(jī)理。

1.1 硫酸鹽還原菌白云巖形成機(jī)理及現(xiàn)代實(shí)例

1.1.1 硫酸鹽還原菌白云巖形成機(jī)理

Vasconceloset al.[13]在巴西東海岸的Lagoa Vermelha潟湖缺氧還原性黑色富含有機(jī)質(zhì)沉積物中發(fā)現(xiàn)了白云石。他們用采自這個(gè)潟湖的沉積物中的硫酸鹽還原細(xì)菌Desulforvibrio，模擬潟湖缺氧環(huán)境條件，在實(shí)驗(yàn)室厭氧條件下沉淀出了有序性較差的富鈣鐵白云石。于是他們提出，硫酸鹽還原細(xì)菌能夠通過生物化學(xué)調(diào)節(jié)克服白云石形成的障礙，在常溫常壓下沉淀出白云石。

目前關(guān)于硫酸鹽還原菌沉淀白云石機(jī)理的解釋是：

硫酸鹽還原細(xì)菌利用SO2-4中的O作為電子接受基進(jìn)行無氧（指游離氧）呼吸，使有機(jī)質(zhì)氧化、分解，同時(shí)使SO2-4還原，釋放出H2S、CO2等，在水中形成HCO-3、CO2-3、HS-和S2-。硫酸鹽還原反應(yīng)可綜合表達(dá)為：2CH2O(有機(jī)質(zhì))＋SO2-4→S2-＋CO2＋H2O

這種反應(yīng)降低了水中SO2-4的濃度，將Mg2+從MgSO4離子對(duì)中釋放出來，同時(shí)形成CO2-3和HCO-3，提高了堿度和pH 值，克服了熱動(dòng)力學(xué)障礙，進(jìn)而沉淀出白云石。S2-可使沉積物中的Fe3+還原或直接與水中的Fe2+結(jié)合，形成黃鐵礦（FeS2）、白鐵礦（FeS2，與黃鐵礦同質(zhì)異相）或磁黃鐵礦（FeS）。

1.1.2 現(xiàn)代實(shí)例

硫酸鹽還原菌白云巖的現(xiàn)代實(shí)例是巴西Lagoa Vermelha 潟湖中的現(xiàn)代白云巖[14]。該潟湖位于巴西東海岸里約熱內(nèi)盧以東90 km 處，面積約2.4 km2，最大水深1.7 m，周圍的微氣候?yàn)榘敫珊担瑵暫吘壈l(fā)育藻席。潟湖與大西洋之間為沙丘組成的寬400 m 的障壁島。根據(jù)14C定年，潟湖形成于3 600年前。

潟湖的湖水鹽度隨干、濕季節(jié)波動(dòng)較大，由鹽水（hypersaline）到半咸水（brackish）；月平均水溫為23 ℃~32 ℃，pH值為8~8.5；δ18OSMOW為1.50‰~3.82‰，多為2‰~3‰；Mg∕Ca為1.66~3.13，多為2.5~3。

潟湖底部沉積物表面覆蓋了一層10 cm 厚的黑色淤泥，水底缺氧。淤泥主要是碳酸鹽泥、有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌與水的混合物。碳酸鹽泥由方解石、高鎂方解石和富鈣白云石組成。潟湖中央一段1.7 m 的取心中（圖1），上部1.2 m為碳酸鹽沉積物，由含有白云石的球粒層與紋理層交替疊置組成，為潟湖沉積。

碳酸鹽沉積物中有機(jī)碳含量普遍高，為2%~18%（圖1）。黑色淤泥和表層沉積物中有機(jī)碳含量約10%。碳酸鹽全樣的δ13CPDB為-2‰~-10‰（圖1）；δ18OPDB為1.5‰~5.5‰。δ18OPDB越高，δ13CPDB就越低。

巖心中見白云石結(jié)核富集層，分布在深度為12~15 cm和72~95 cm之間（圖1）。上部的白云石結(jié)核為弱固結(jié)，白云石含39~42 mol∕mol的MgCO3。下部則致密，白云石含量高達(dá)98%，白云石含48 mol∕mol 的MgCO3。這反映白云石隨著時(shí)間推移變得更接近化學(xué)計(jì)量，并且有序度增加，晶形也變好。下部白云石結(jié)核的δ13CPDB為-8‰~-10‰，數(shù)值很低，反映有機(jī)碳的混入。該層上、下沉積物中有機(jī)質(zhì)的δ13CPDB為-19‰~-21‰，平均-20‰，與溫暖海水植物的一致[12]，而該層中無定形有機(jī)質(zhì)的δ13CPDB為-23‰，較低，反映有硫酸鹽還原細(xì)菌的參與[14]。

圖1 Lagoa Vermelha 潟湖巖心柱狀圖及相應(yīng)的地球化學(xué)特征[14]Fig.1 Histogram of Lagoa Vermelha lagoon core and corresponding geochemical characteristics[14]

Vasconceloset al.[14]認(rèn)為該潟湖白云石很低的δ13C和球狀、啞鈴狀形態(tài)是微生物成因的證據(jù)。較深處白云石結(jié)核層中的白云石有序度高，是“老化”所致；白云石呈較明顯的菱形，則認(rèn)為是后期圍繞球形微生物白云石核又發(fā)生無機(jī)沉淀導(dǎo)致的。他們用稀鹽酸部分溶解后，發(fā)現(xiàn)露出了包裹在菱形白云石晶體內(nèi)的球形白云石晶核，就證明了這一點(diǎn)。

1.2 甲烷氧化菌和甲烷生成菌白云巖形成機(jī)理及現(xiàn)代實(shí)例

海（湖）底沉積物從上到下可分2個(gè)帶：富氧帶和缺氧帶。富氧帶∕缺氧帶界面可以位于沉積物表面之下，但也可等于或高于沉積物表面（此時(shí)富氧帶缺失），這取決于水體的循環(huán)程度和沉積物中有機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)質(zhì)含量越高，該界面越淺。

缺氧帶自上而下可進(jìn)一步劃分出硫酸鹽還原帶（甲烷氧化帶）和甲烷生成帶。

1.2.1 甲烷氧化菌白云巖形成機(jī)理

硫酸鹽還原帶內(nèi)，硫酸鹽還原細(xì)菌以SO2-4中的O 作為氧化劑來氧化分解有機(jī)質(zhì)和甲烷。當(dāng)氧化分解的物質(zhì)為甲烷或既有甲烷又有有機(jī)質(zhì)時(shí)，硫酸鹽還原帶也可稱“甲烷氧化帶”[19]。氧化甲烷的細(xì)菌又稱甲烷氧化菌。甲烷氧化的機(jī)理可用下式表達(dá)：

CH4＋SO2-4→HCO-3＋HS-＋H2O

這個(gè)反應(yīng)式的意義在于：即使沉積物（如砂質(zhì)沉積物）缺乏有機(jī)質(zhì)，只要孔隙水中含有SO2-4且處于缺氧狀態(tài)，硫酸鹽還原細(xì)菌仍可以通過氧化甲烷而使硫酸鹽還原。甲烷通常是從硫酸鹽還原帶之下的甲烷生成帶冒上來的。對(duì)于湖底沉積物，如果湖水中硫酸鹽含量為0或微乎其微，可以缺失硫酸鹽還原帶（甲烷氧化帶），而直接進(jìn)入甲烷生成帶。

甲烷氧化菌白云巖形成機(jī)理與硫酸鹽還原菌白云巖的基本一致，都是通過降低水中SO2-4的濃度、形成CO2-3和HCO-3、提高堿度和pH值、克服熱動(dòng)力學(xué)障礙，進(jìn)而沉淀出白云石。不同的是被氧化分解的物質(zhì)主要是甲烷而非有機(jī)質(zhì)。甲烷氧化產(chǎn)生的CO2的δ13C為很低的負(fù)值。微生物成因的甲烷的δ13C很低，為-50‰~-110‰（PDB）。氧化后產(chǎn)生的CO2的δ13C也很低。由這種CO2形成的碳酸鹽與海水中原有的無機(jī)碳酸鹽混合后形成的碳酸鹽礦物的δ13C 為較低的負(fù)值，多為-5‰~-10‰（PDB）（圖2）。有機(jī)碳占的比例越高，δ13C越低，可低至-20‰（PDB）左右。

圖2 大洋鉆探計(jì)劃1081 點(diǎn)孔隙水剖面的地球化學(xué)特征[15]Fig.2 Geochemical characteristics of pore water profiles at 1081 points of the Oceanic Drilling Program[15]

1.2.2 甲烷生成菌白云巖形成機(jī)理

甲烷生成帶內(nèi)，甲烷含量很高。沉積物中的有機(jī)質(zhì)通過厭氧微生物分解為甲烷和CO2：

2CH2O→CH4＋CO2

1.2.3 現(xiàn)代實(shí)例

下面簡要介紹甲烷氧化菌白云巖和甲烷生成菌白云巖的現(xiàn)代實(shí)例。

（1）非洲西海岸地區(qū)的甲烷氧化菌白云巖和甲烷生成菌白云巖

在鄰近非洲納米比亞西海岸的深海盆地中，多個(gè)鉆孔的資料表明，海底沉積物上部為硫酸鹽還原帶（甲烷氧化帶），其下為甲烷生成帶（圖2）。硫酸鹽還原帶厚度為6~50 m。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量很高、沉積速度很慢時(shí)，硫酸鹽還原帶厚度可僅為幾厘米[27]，甲烷生成帶的厚度為十幾米到100 m左右[15]。

自上而下，沉積物孔隙水的SO2-4濃度、Mg2+和Ca2+濃度、堿度和δ13C發(fā)生了有規(guī)律的變化（圖2）。

在硫酸鹽還原帶（甲烷氧化帶）內(nèi)，自上而下SO2-4濃度迅速降為0；CH4含量為0；Mg2+和Ca2+濃度迅速降低；堿度迅速升高；δ13C 迅速降低，在1081 鉆孔中由-8‰迅速降為22.09‰（PDB）（圖2）。綜合其他幾個(gè)鉆孔的情況可知，甲烷氧化帶內(nèi)孔隙水的δ13C 普遍為負(fù)值，為-1.5‰~-22.09‰（PDB），多在-5‰~-17‰之間。

在甲烷生成帶，CH4含量先升高又降低；SO2-4濃度為0；Mg2+和Ca2+濃度一直維持低值；堿度一直維持高值；δ13C快速上升并維持高值。綜合其他幾個(gè)鉆孔的情況可知，甲烷生成帶孔隙水的δ13C 普遍為正值，為1.38‰~16.05‰，多在5‰~13‰之間[15]。

在鉆孔中發(fā)現(xiàn)了數(shù)層白云巖，其現(xiàn)今埋藏深度從幾十米到400 m 左右，目前均位于甲烷生成帶內(nèi)。其δ13C 為-5‰~7‰（PDB）[15]。根據(jù)δ13C 判 斷，δ13C為-5‰的白云巖應(yīng)是在甲烷氧化帶內(nèi)形成的，后來埋藏到了甲烷生成帶；δ13C為4‰~7‰的白云巖則形成于甲烷生成帶。

（2）其他地區(qū)的甲烷氧化菌白云巖和甲烷生成菌白云巖

日本琉球群島南部Kuroshima 海底平頂山上現(xiàn)代沉積物中分布著一些白云巖煙囪[22]。白云巖煙囪直徑5~30 cm，高多為30 cm左右，是由白云石和方解石膠結(jié)砂、泥而形成的。煙囪中白云石含量為79.2%~83.2%（重量百分比）。白云石晶體微小，多不到1 μm。其δ13C 為-43.6‰~-17.0‰，δ18O 為5.66‰~7.92‰（PDB）。Takeuchiet al.[23]認(rèn)為，煙囪中的白云巖是由從深部冒上來的甲烷被微生物氧化形成的甲烷氧化菌白云巖。

在丹麥北端距岸10 km 處水深10~12 m 的砂質(zhì)海底上分布著一些白云石膠結(jié)的砂質(zhì)柱[23]。砂質(zhì)柱直徑可達(dá)1 m，高出海底可達(dá)4 m，應(yīng)具有較深的“根”，因?yàn)檫@些柱子能抗風(fēng)浪。作為砂質(zhì)柱膠結(jié)物的白云石為0.01~0.03 mm 的泥晶，菱面體狀，富鈣[（Mg47, Ca53）CO3]，Sr 含量約1 000×10-6，F(xiàn)e 和Mn 含量 變化大，平均值分別為1 870×10-6和320×10-6。其δ13C 為-44‰~-40‰（PDB），δ18O 為3.7‰~3.9‰（PDB）。J?rgensen[24]推測(cè)砂質(zhì)柱中的白云石是由向上泄露的甲烷被厭氧或需氧微生物氧化形成的，其極低的δ13C 反映了這一點(diǎn)。甲烷來自下方淺埋藏的氣藏。

此外，在世界很多其他海域，海底也都發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽煙囪，如俄勒岡陸架邊緣[24]、北海[26]、南新西蘭[27]及南中國海[28]等，多與甲烷泄露有關(guān)。

Robertset al.[29]通過野外實(shí)驗(yàn)和和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)表明，在缺氧的淡水環(huán)境中，只要有Ca2+、Mg2+等離子來源，生甲烷菌也可以沉淀出白云石，而且無需高的Mg∕Ca 比值，在1左右即可。野外實(shí)驗(yàn)是針對(duì)美國明尼蘇達(dá)州Bemidji 附近被石油污染的、底板為玄武巖的蓄水層進(jìn)行的。蓄水層處于缺氧狀態(tài)，地下水對(duì)白云石飽和或略過飽和。在污染帶活動(dòng)的微生物主要是鐵還原菌，其次是生甲烷菌。

Robertset al.[29]在蓄水層中鉆一口井，將干凈的玄武巖樣品放入鉆井中（距地面7 m），浸泡在地下水中。3 個(gè)月后，將樣品取出并觀察，發(fā)現(xiàn)玄武巖樣品表面生長有微生物，圍繞微生物有鐵白云石沉淀出來。他們推測(cè)生甲烷菌通過消耗水中的CO2使白云石處于過飽和并沉淀出來，所需的Mg、Ca 是由微生物腐蝕玄武巖的表面而釋放出來的。為了證明這一觀點(diǎn)，他們做了模擬室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：將玄武巖和采自蓄水層的水、少量石油以及鐵還原菌和生甲烷菌放入缺氧的密閉容器內(nèi)，在25°C、無陽光的暗室內(nèi)放置了8個(gè)月。之后，取出樣品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)圍繞微生物細(xì)胞和玄武巖表面上沉淀出了方解石和白云石，大小為0.02~5 μm，其中白云石約占30%，不含鐵，可能是Fe2+含量過低所致。白云石的δ13C 為-0.03‰，δ18O為-3.39‰；方解石的δ13C為-0.83‰，δ18O為-6.53‰。

他們的研究表明，在微生物參與下，白云石的形成既不需要對(duì)白云石高度過飽和的咸化水也不需要高的鎂鈣比。白云石的沉淀可能是由于微生物發(fā)生礦化作用時(shí)，細(xì)菌的胞外聚合物（EPS）促進(jìn)了白云石的成核過程[44-46]。細(xì)菌所分泌的EPS 具有從周圍的水中集中并綁定鈣、鎂、碳酸鹽、二氧化硅等離子的能力[47]。當(dāng)電子傳遞發(fā)生時(shí)，一些細(xì)菌的外膜所能絡(luò)合的陽離子主要就是Mg2+和Ca2+[48]，從而為白云石的沉積創(chuàng)造了有利的微環(huán)境。因此微生物的媒介作用不僅體現(xiàn)在調(diào)節(jié)介質(zhì)堿度、營造利于白云石沉淀的化學(xué)條件方面，更重要的是它們還能為白云石提供初始成核位置，促使白云石晶體發(fā)生沉淀[17]。

1.3 喜氧喜鹽菌白云巖形成機(jī)理及現(xiàn)代實(shí)例

1.3.1 喜氧喜鹽菌白云巖形成機(jī)理

多種微生物，包括藍(lán)細(xì)菌（即藍(lán)綠藻）和通過分解含氮有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生氨氣的細(xì)菌，可以在有氧條件下誘發(fā)碳酸鹽沉淀[30]，包括白云石[31]。

Sánchez-Románet al.[32]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，常溫常壓下，一些喜氧喜鹽菌可以在氧化條件下沉淀出含鎂的白云石、高鎂方解石、水菱鎂礦、碳酸鈣鎂石（huntite）和鳥糞石。他們使用了5 個(gè)喜氧喜鹽菌屬下的21 種細(xì)菌，其中包括鹽單胞菌Halomonas屬的16 個(gè)種，海單胞菌Marinomonas屬的2 個(gè)種，海桿菌Marinobacter屬的1 個(gè)種，色鹽桿菌Chromohalobacter屬的一個(gè)種，以及需鹽芽孢桿菌Salibacillus屬的1個(gè)種。

在30 ℃下，將樣品在大氣中放置了1個(gè)月，其間進(jìn)行多次觀察，然后將沉淀物分離出來進(jìn)行分析化驗(yàn)。他們的研究表明，對(duì)于不同的樣品，鳥糞石和碳酸鹽礦物沉淀需要的時(shí)間不同，短的為4天，長的為22天。

他們的實(shí)驗(yàn)表明：

（1）微生物作用普遍使pH值升高。所有含有微生物的樣品在1個(gè)月后，pH值均升高至9左右。導(dǎo)致pH值升高的原因是微生物的新陳代謝作用釋放出了NH3。

（2）微生物作用誘發(fā)了沉淀。所用的介質(zhì)對(duì)碳酸鹽礦物都是不飽和的，但卻沉淀出了碳酸鹽礦物，這是因?yàn)槲⑸锏男玛惔x作用改變了其周圍的微環(huán)境，使pH值升高，釋放的CO2則使CO2-3升高，導(dǎo)致介質(zhì)對(duì)碳酸鹽過飽和。在無微生物和有死微生物的樣品中，pH值未變，也沒有任何礦物沉淀。

（3）碳酸鹽礦物晶體數(shù)量和大小隨放置時(shí)間增長而變多、變大，晶體大小為幾微米到幾十微米，呈球狀或啞鈴狀。

（4）介質(zhì)中Ca2+和Mg2+的濃度影響礦物的類型和沉淀的先后順序。在Ca2+濃度最低（0.057 M）的樣品中，鳥糞石最先沉淀，之后是水菱鎂礦、碳酸鈣鎂石、高鎂方解石和白云石；在Ca2+濃度為0.011 mol∕L的樣品中，水菱鎂礦最先沉淀，之后是高鎂方解石、白云石和鳥糞石。在Ca2+濃度為0.017~0.022 mol∕L 的樣品中，白云石最先沉淀，之后是水菱鎂礦和鳥糞石。

（5）介質(zhì)中Ca2+含量越高，白云石和高鎂方解石中的Ca含量就越高。

（6）碳酸鹽礦物的δ13C 為-26.8 到-18.2‰，反映為有機(jī)碳源。其中，白云石的δ13C為-26.8到-20.0‰。隨著富鎂碳酸鹽礦物中Ca 含量增加，δ13C 有變小的趨勢(shì)，而Mg 增加則會(huì)使δ13C 變高。這說明Ca 有利于12C 進(jìn)入碳酸鹽礦物晶格，而Mg 則有利于13C 進(jìn)入晶格。因此，白云石的δ13C一般比與其共生的方解石的δ13C高。

1.3.2 現(xiàn)代實(shí)例

喜氧喜鹽菌形成白云石的一個(gè)現(xiàn)代實(shí)例是巴西Brejo do Espinho 潟湖中的現(xiàn)代白云石[32]。該潟湖位于前述Lagoa Vermelha 潟湖東側(cè)，也是咸化潟湖，鹽度隨干、濕季節(jié)變化。其水深＜0.5 m，Mg∕Ca 比平均約為5。湖底發(fā)育較厚的多種顏色的藻席，并含氧。

在潟湖中部取了25 cm的沉積物（主要由碳酸鹽泥組成）巖心，其上部10 cm 紋理不清晰，下部15 cm紋理發(fā)育（圖3）。礦物成分主要為高鎂方解石和白云石，還有少量方解石。自上而下，高鎂方解石含量降低，白云石含量升高，在21 cm處全部變?yōu)榘自剖?，說明高鎂方解石轉(zhuǎn)化成了白云石。沉積物中有機(jī)質(zhì)含量向下逐漸降低，在表層有機(jī)碳含量為12.5%，而到了純白云巖層，則降為2.5%，說明在白云石形成的過程中消耗了有機(jī)質(zhì)。碳酸鹽沉積物的δ13CPDB從表層到18 cm 深處變化不大，約為-2‰，但白云巖層的δ13CPDB卻快速降低至-10‰，反映有機(jī)碳的大量加入。δ18O則一直較穩(wěn)定（圖3）。

圖3 Brejo do Espinho 取心柱狀圖和地球化學(xué)特征[33]（a）Brejo do Espinho的取心照片；（b）通過XRD分析可見取心中深度20~23 cm層段主要礦物成分由高鎂方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖?；（c）塊狀碳酸鹽和孔隙水的δ18O組成在20 cm以下偏正，而δ13C組成相對(duì)偏負(fù)，說明了有微生物活動(dòng)影響Fig.3 Brejo do Espinho core bar chart and geochemical characteristics[33]

研究者利用從潟湖沉積物中提取出來的兩種細(xì)菌（Virgibacillus marismortui和Marinobactersp.），在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬潟湖沉積的成巖環(huán)境，在有氧條件下沉淀出了白云石，說明潟湖沉積物中的白云石應(yīng)是這些細(xì)菌形成的。

2 微生物白云巖識(shí)別標(biāo)志

如何識(shí)別古代微生物白云巖？如何識(shí)別古代不同成因的微生物白云巖？根據(jù)各類微生物白云巖的形成機(jī)理及其現(xiàn)代實(shí)例，筆者從晶粒大小、形態(tài)、碳氧同位素、共生組合、晶體結(jié)構(gòu)等方面對(duì)各類微生物白云巖的識(shí)別標(biāo)志進(jìn)行了討論和總結(jié)。

2.1 晶粒大小方面的標(biāo)志

無論是從模擬實(shí)驗(yàn)還是現(xiàn)代沉積來看，各類微生物白云巖晶粒普遍都很細(xì)，為泥晶級(jí)，大小在5 μm以下。即使埋藏后可發(fā)生重結(jié)晶，晶粒大小也不超過粉晶級(jí)。因此，要定為微生物白云巖，砂糖狀白云巖則不在考慮之列。

由于上述4種成因的微生物白云巖晶粒相近，因此不能根據(jù)晶粒大小區(qū)分是哪種成因的微生物白云巖。

2.2 晶體形態(tài)方面的標(biāo)志

微生物成因的白云石有特殊形態(tài)。不少研究者認(rèn)為，微生物成因的碳酸鹽礦物具有特有的球狀或啞鈴狀形態(tài)，與無機(jī)成因的不同[34-35]。因白云石常圍繞微生物沉淀，因此，白云石或其集合體呈球狀或啞鈴狀，其核心為球狀或啞鈴狀微生物（圖4）[36]。即使后期經(jīng)過“老化”晶體呈菱面體，用稀鹽酸部分溶解后，仍有可能見到球狀或啞鈴狀白云石，切片中仍有可能見到球狀或啞鈴狀核心。這是識(shí)別微生物成因的白云石最過硬的證據(jù)，也是研究中需要極力尋找的證據(jù)。不過，不是所有微生物成因的白云石內(nèi)部都具有這種球狀或啞鈴狀構(gòu)造，因?yàn)榘自剖捎晌⑸锇饩酆衔锏日T發(fā)沉淀[41]。

圖4 微生物白云石內(nèi)部保留的微生物形態(tài)[36]Fig.4 Microbial morphology retained within the dolomite[36]

由于形成白云石的各類細(xì)菌的形態(tài)相似，因此無法根據(jù)形態(tài)區(qū)分不同成因的微生物白云巖。

2.3 碳氧同位素方面的標(biāo)志

由于有機(jī)質(zhì)在微生物白云巖的形成中起重要作用，因此微生物白云巖的碳氧同位素獨(dú)具特色，而且不同成因的微生物白云巖在碳氧同位素方面有顯著差異，可據(jù)此識(shí)別微生物白云巖和區(qū)分不同成因的微生物白云巖。根據(jù)現(xiàn)代實(shí)例和模擬實(shí)驗(yàn)，本文總結(jié)了各類微生物白云巖的碳氧同位素組成。

硫酸鹽還原菌白云巖：δ13C 介于-5‰~-10‰（PDB）；δ18O為2‰~5‰（PDB）。

甲烷氧化微生物白云巖：δ13C 通常在-5‰以下，可達(dá)-20‰（PDB）[37]。該類白云巖的δ13C與硫酸鹽還原微生物白云巖的δ13C 有重疊，但如果低于-10‰（PDB），則應(yīng)為甲烷氧化微生物白云巖。

甲烷生成微生物白云巖：δ13C 普遍為正值，且較高，這是與其他微生物白云巖顯著不同的，也是其主要識(shí)別標(biāo)志。其δ13C 介于0.4‰~13.8‰（PDB）；δ18O為-6.7‰~5.6‰（PDB）[36]。

喜氧喜鹽微生物白云巖：δ13C 為-10‰（PDB）左右。δ18O則一直較穩(wěn)定，為2‰~3‰（PDB）。

由上述可見，δ13CPDB在識(shí)別微生物白云巖和不同成因的微生物白云巖方面十分有用。

與無機(jī)成因的泥粉晶白云巖（蒸發(fā)泵白云巖和原生無機(jī)化學(xué)沉淀成因的白云巖）相比，硫酸鹽還原、甲烷氧化和喜氧喜鹽微生物白云巖的δ13CPDB普遍很低。現(xiàn)代無機(jī)成因的泥粉晶白云巖的δ13CPDB都是正值，通常在0~3‰之間。因此，如果古代泥粉晶白云巖的δ13CPDB是很低的負(fù)值，應(yīng)為硫酸鹽還原、甲烷氧化或喜氧喜鹽微生物白云巖。如果δ13CPDB比-10‰還低，則為甲烷氧化微生物白云巖。甲烷生成微生物白云巖的δ13CPDB通常都是正值，與無機(jī)成因的泥粉晶白云巖的δ13CPDB有重合，但如果δ13CPDB在3‰以上，則通常是甲烷生成微生物白云巖。

2.4 顏色和自生礦物方面的標(biāo)志

硫酸鹽還原微生物白云巖、甲烷氧化微生物白云巖和甲烷生成微生物白云巖都形成于缺氧還原環(huán)境，其顏色普遍為深灰、灰黑等還原色，而且普遍含準(zhǔn)同生期的自生黃鐵礦等還原性自生礦物。而喜氧喜鹽微生物白云巖形成于富氧環(huán)境，其顏色總體較淺，可為紅色、黃褐色等氧化色，可含氧化性自生礦物，如赤鐵礦、褐鐵礦等。因此，根據(jù)顏色和自生礦物有可能將喜氧喜鹽微生物白云巖與硫酸鹽還原微生物白云巖、甲烷氧化微生物白云巖和甲烷生成微生物白云巖區(qū)分開來，但不能區(qū)分硫酸鹽還原微生物白云巖、甲烷氧化微生物白云巖和甲烷生成微生物白云巖。

2.5 共生組合方面的標(biāo)志

硫酸鹽還原微生物白云巖、甲烷生成微生物白云巖和喜氧喜鹽微生物白云巖的形成都需要沉積物富含有機(jī)質(zhì)（腐泥型）。甲烷氧化微生物白云巖雖然不直接利用有機(jī)質(zhì)，但甲烷通常是由有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的。因此，所有微生物白云巖都直接或間接與盛產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的沉積環(huán)境有關(guān)，與富含有機(jī)質(zhì)的沉積物互層共生。

海（湖）環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)主要是由水生低等植物（藻類等）產(chǎn)生的。由于植物生長需要陽光，因此水體要淺，并且環(huán)境條件惡劣（如滯流缺氧），不利于以植物為食的水生動(dòng)物生存。潟湖、海灣（湖灣）是有利于植物大量發(fā)育的環(huán)境。一些深海（深湖）區(qū)，如果浮游生物大量發(fā)育且死后沉落到水底，其沉積中可富含有機(jī)質(zhì)。潮坪上如果發(fā)育藻席，其沉積中有機(jī)質(zhì)含量可以較高。

硫酸鹽還原微生物白云巖、甲烷氧化微生物白云巖和甲烷生成微生物白云巖都形成于缺氧還原環(huán)境，因此與缺氧還原環(huán)境沉積（如滯流環(huán)境、深水環(huán)境）互層共生。硫酸鹽還原微生物白云巖的形成需要水中含有較多的硫酸鹽，因此通常只出現(xiàn)在海相沉積中，一般不會(huì)出現(xiàn)在湖泊沉積中，因?yàn)楹粗辛蛩猁}含量通常很低。甲烷氧化微生物白云巖和甲烷生成微生物白云巖則無此限制。喜氧喜鹽微生物白云巖形成于氧化環(huán)境，因此與淺水或暴露的氧化環(huán)境沉積（如潮坪）互層共生。

2.6 晶體結(jié)構(gòu)方面的標(biāo)志

有序度是白云石晶體結(jié)構(gòu)研究中重要參數(shù)之一，理想的白云石晶體為三方晶系，晶體結(jié)構(gòu)中的陽離子Ca2+和Mg2+是按1∶1完全有序排列；受到白云石化成因、溫度等因素的影響，白云石有序度通常無法達(dá)到理想形態(tài)而呈現(xiàn)不同的有序度[48]。由于微生物的參與使Ca2+和Mg2+排列不規(guī)則，導(dǎo)致微生物白云巖礦物有序度值較低，為0.6左右[49]。同時(shí)，在微生物白云石中可以探測(cè)到晶胞有機(jī)質(zhì)。

3 存在問題

3.1 微生物白云巖形成機(jī)理存在的問題

現(xiàn)在關(guān)于微生物形成白云巖的解釋是：微生物通過提高CO2-3濃度、堿度、pH值、降低SO2-4的毒害作用等來誘發(fā)白云石沉淀。Bontognaliet al.[37]通過硫酸鹽還原細(xì)菌沉淀碳酸鹽的實(shí)驗(yàn)室研究認(rèn)為，碳酸鹽礦物是在細(xì)菌分泌的細(xì)胞外聚合物EPS（extracellular polymeric substance）沉淀的，同時(shí)微生物的的胞外聚合物（EPS）承擔(dān)電子傳遞和礦物成核的作用，從而促進(jìn)白云石沉淀。但對(duì)于微生物礦化以后會(huì)不會(huì)導(dǎo)致微生物死亡，礦化對(duì)微生物是否有好處等問題，目前尚不清楚。

另外，國外學(xué)者大多是在實(shí)驗(yàn)室微生物培育和現(xiàn)代沉積研究的基礎(chǔ)上提出來的微生物介導(dǎo)白云巖模式，由于地質(zhì)歷史中的微生物與現(xiàn)代種類相差巨大，微生物本身也發(fā)生了進(jìn)化，要從古代巨厚的白云巖中找到微生物的成因，則需沉積學(xué)家更多更深入的研究?？傊P(guān)于微生物如何形成白云巖的謎仍未完全解開，尚需進(jìn)一步更深入、廣泛的研究。

3.2 微生物白云巖是原生還是次生交代的？

上述微生物白云巖的形成機(jī)理都沒有涉及這樣一個(gè)問題：微生物白云巖是原生還是次生交代的？

從形成機(jī)理上看應(yīng)為原生的，因?yàn)榘自剖窃谖⑸镒饔脦椭鲁恋沓鰜淼?。但現(xiàn)代實(shí)例中的資料顯示，微生物白云巖應(yīng)該是次生交代的，因?yàn)榘自剖暮繌谋韺酉蛳轮饾u升高，最終達(dá)100%，而鈣質(zhì)礦物則逐漸減少，直至為0。這說明微生物白云巖的形成伴隨著鈣質(zhì)礦物的溶解。

上述無論哪種微生物白云巖的形成機(jī)理，其現(xiàn)代實(shí)例都是準(zhǔn)同生期形成的白云巖。白云石是從沉積物孔隙水中形成的，而非直接從沉積水體沉淀的。根據(jù)樣品的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，白云石雖然是在沉積物孔隙中沉淀的，但未見交代高鎂方解石（或文石）的標(biāo)志。微生物白云巖很可能是通過溶解—沉淀過程形成的，即高鎂方解石溶解，微生物白云石在附近沉淀，而不是在高鎂方解石溶解后騰出的位置沉淀。這種溶解—沉淀在微觀上不是嚴(yán)格的交代作用，因?yàn)榘自剖w并沒有占據(jù)高鎂方解石溶解后騰出的位置；但宏觀上表現(xiàn)為交代作用，因?yàn)榘自茙r確實(shí)占據(jù)了石灰?guī)r的位置。